朱宝玉,张如松,姜硕,光明甲,孙鉴昕,许良忠,王明慧

(青岛科技大学 化学与分子工程学院,山东 青岛 266042)

病虫害是影响农作物产量的最大因素,而化学防治是防治害虫的重要手段[1]。双酰胺类化合物结构新颖,作用机制独特,具有很高的杀虫杀螨活性,已成为新农药创制的热点之一,其代表品种有氯虫苯甲酰胺、溴虫氟苯双酰胺等。

日本三井农业化学公司在对氟虫双酰胺进行改造时,通过对其骨架的修饰将邻二酰胺转变为间二酰胺后得到的新化合物仍然具有一定的杀虫活性,以此为基础继续研究,经过对苯环上各种位点进行甲基、卤素原子取代,最终筛选出溴虫氟苯双酰胺,这也是第一个上市的间二酰胺类杀虫剂[2]。溴虫氟苯双酰胺具有独特的骨架结构和作用机制,作用于害虫的γ-氨基丁酸(GABA)受体,调控害虫体内的氯通道,使害虫过度兴奋而死[3]。溴虫氟苯双酰胺虽然有着很高的杀虫活性,但是其上市后不久就出现了害虫抗药性,施药浓度不断提高[4-7]。

为了开发出高活性、低成本、低毒性的双酰胺类化合物,以溴虫氟苯双酰胺为先导化合物,通过中间体衍生化法、活性亚结构拼接法等方法对其结构的A、B、C三个部分进行改造,开发出6种全新化合物,并且通过1H NMR、13C NMR和HRMS等表征手段对目标化合物的结构进行了确认,同时对目标化合物的合成方法进行了合理性优化,提出了最佳的合成方法,图1为溴虫氟苯双酰胺改造思路。

图1 溴虫氟苯双酰胺改造思路

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

SGW X-4显微熔点测定仪(上海精密科学仪器有限公司),旋转蒸发器LC-RE-201D(上海力辰邦西仪器科技有限公司),循环水式真空泵SHZ-D(II)(郑州予科仪器设备有限公司),核磁共振波谱仪Av500.(BRUK ER),高分辨四极杆飞行时ACQUITY.UPLC(Waters),间串联液质联用仪H-Class/Xevo*G2v(Waters),智能磁力搅拌器ZNCL-T500ML(郑州予科仪器设备有限公司),电热恒温鼓风干燥箱Dhg- 9070A(上海齐欣科学仪器有限公司),暗箱三用紫外分析仪ZF-7(上海嘉鹏科技有限公司),低温冷却液循环泵DLSB-5L/20(郑州长城科工贸有限公司),机械搅拌器S212(青岛蓝特恩科教仪器设备有限公司)。

其余试剂与原料都是市面上销售的分析纯产品。

1.2 合成路线及方法

合成路线如图2所示。

图2 化合物Ⅰa～Ⅰf的合成路线

1.2.1 中间体Ⅰ-6:3-氨基-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺的合成

1) 向干燥的250 mL三口瓶中加入15.8 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酸和60 g甲醇,室温搅拌下缓慢滴加10 g(0.1 mol)98%浓硫酸,滴加完毕后升温至回流,反应2 h后TLC检测结果显示反应完全,降低温度到室温,减压蒸馏除去甲醇,得发黏白色固体,加入50 g去离子水搅拌0.5 h,抽滤,滤饼用10 mL去离子水洗涤三次,收 集滤饼并烘干,得到白色固体2,6-二氟苯甲酸甲酯16.3 g,收率95%。

2) 在干燥的250 mL三口烧瓶中加入17.2 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酸甲酯和25.2 g(0.4 mol)浓硝酸,将三口烧瓶放入-10 ℃冷井中搅拌,等三口烧瓶内温度下降到-5 ℃以时缓慢滴加44.1 g(0.45 mol)浓硫酸,滴加温度保持在-10～0 ℃,滴加完毕0 ℃搅拌1 h,再升温到30 ℃反应2 h,TLC(展开剂为石油醚与乙酸乙酯为体积比1∶1)监测结果显示反应完全。将反应液边搅拌边加入到100 mL冰水中,析出大量白色固体,继续搅拌10 min后抽滤,滤饼用20 mL去离子水洗涤3次,收集滤饼并烘干,得到19.5 g白色固体2,6-二氟-3-硝基苯甲酸甲酯,收率90%。

3) 在干燥的250 mL三口瓶中依次加入21.7 g(0.1 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酸甲酯、40 g甲醇,开启搅拌,滴加30 g(0.15 mol)20%氢氧化钠水溶液,滴加完毕升温至回流,反应1 h后TLC监测结果显示反应完全,降低温度到室温,搅拌下向反应液滴加稀盐酸至弱酸性,析出固体,继续搅拌1 h使产物充分析出,抽滤,滤饼用少量水洗涤,收集滤饼并烘干,得到白色固体2,6-二氟-3-硝基苯甲酸18.1 g,收率89%。

4)在干燥的250 mL单口瓶中依次加入20.3 g(0.1 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酸、40 g甲苯和18 g(0.15 mol)氯化亚砜,加入完毕后迅速安装到加热装置中,开启搅拌并升温至回流,反应3 h后TLC监测结果显示反应完全,减压蒸馏除去甲苯,得到淡黄色透明液体2,6-二氟-3-硝基苯甲酰氯21.4 g,收率97%。

5)在干燥的250 mL单口瓶中依次加入32.8 g(0.1 mol)2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯胺、100 g甲苯和34.3 g(0.11 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酰氯,加入完毕迅速安装到加热装置中,开启搅拌升温至回流,反应3 h后TLC监测结果显示反应完全,降低温度到室温,用碳酸氢钠水溶液洗涤有机相,分液,减压蒸馏除去甲苯,得到白色固体N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-硝基苯甲酰胺(Ⅰ-5)49.2 g,收率96%。

6)在干燥的500 mL三口烧瓶中加入16.8 g(0.3 mol)铁粉和40 mLHAc,搅拌升温到50 ℃,缓慢滴加溶有51.3 g(0.1 mol)Ⅰ-5的250 g醋酸溶液,滴加完毕升温到70 ℃,反应2 h后TLC(展开剂为石油醚:乙酸乙酯为1:1)监测结果显示反应完全,保持搅拌降低温度至室温,加入100 mL乙酸乙酯,使用磁力棒除去多余铁粉,再将反应液倒入250 g去离子水中,搅拌20 min,静置分液,保留有机相,用30 mL去离子水洗涤3次,减压蒸馏除去乙酸乙酯,得到灰色固体3-氨基-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺(Ⅰ-6)39.6g,收率82%。

1.2.2 目标化合物的合成(以N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-(N-甲基苯甲酰胺基)苯甲酰胺(Ⅰa)为例)

在干燥的100 mL单口瓶中依次加入4.83 g(0.01 mol)Ⅰ-6、20 g乙腈和1.55 g(0.011 mol)苯甲酰氯,加入完毕迅速安装到加热装置中,开启搅拌升温至回流,反应2.5 h后TLC监测结果显示反应完全,降低温度到室温,加入20 g去离子水,析出固体,继续搅拌1 h使固体充分析出,抽滤,用少量水洗涤滤饼,收集滤饼并烘干,得到白色固体3-苯甲酰胺-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺5.57 g,收率95%。

在干燥的100 mL三口瓶中依次加入5.87 g(0.01 mol)3-苯甲酰胺-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺、15 g乙腈和0.84 g(0.015 mol)氢氧化钾和1.89 g(0.15 mol)硫酸二甲酯,搅拌升温至50 ℃,反应2 h后TLC监测结果显示反应完全,降低温度到室温,加入15 g水和15 g乙酸乙酯萃取,分液,用10 g去离子水洗涤有机相三次,减压蒸馏除去乙酸乙酯,得到红棕色黏稠液体,柱色谱纯化得到最终产品。Ⅰb～Ⅰf同样按照此方法进行合成。

化合物Ⅰa～Ⅰf的结构表征数据如下:

Ⅰa:N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-(N-甲基苯甲酰胺基)苯甲酰胺,白色固体,m.p.154.2～154.8 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.28 (s,1H),8.08 (s,1H),8.01 (dt,J=7.1,1.4 Hz,2H),7.77 (d,J=11.8 Hz,2H),7.68～7.60 (m,1H),7.56 (dd,J=8.2,6.7 Hz,2H),7.30 (td,J=8.8,1.4 Hz,1H),6.62 (h,J=6.1 Hz,1H),6.51 (h,J=6.0 Hz,1H).,3.62 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 181.63,181.54,163.57,163.51,163.48,163.42,162.87,158.69,158.61,157.43,155.07,15.01,154.96,154.91,153.87,153.80,151.92,151.89,151.01 144.01,143.91,143.86,143.81,135.98,135.93,135.04,134.33,134.29,134.24,134.19,134.01,132.01,131.96,130.99,130.90,130.72,129.12,129.03,128.96,126.21,126.17,126.10,126.01,122.97,124.57,124.38,124.18,122.99,122.87,122.65,121.77,121.53,115.83,115.71,115.58,114.13,114.02,113.94,113.70,89.45,89.37,89.30,87.01,86.54,86.42,86.20,84.86,34.57,34.23。HRMS(ESI):理论值:C25H15Cl2F8N2O4+[M+H]+629.284 2,实测值:629.283 7。

Ⅰb:N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲酰基)-2,4-二氟苯基)-N-甲基烟酰胺,白色固体,m.p.159.3～159.8 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.24 (s,1H),8.72 (d,J=7.4 Hz,2H),7.83～7.75 (m,3H),7.42 (dt,J=7.2,5.0 Hz,1H),7.14 (s,1H),7.10 (t,J=7.2 Hz,1H),6.84～6.55 (m,1H),4.61 (q,J=6.7 Hz,1H),1.52 (d,J=6.7 Hz,3H)。13C NMR (101 MHz,Chloroform-d) δ 169.57,169.43,164.58,164.57,164.39,159.11,158.96,158.78,158.68,156.24,156.13,155.97,155.91,155.77,155.71,155.43,153.14,153.01,152.91,151.05,150.91,150.69,150.55,143.21,143.00,142.94,142.78,138.34,135.67,132.54,132.22,132.14,132.03,128.41,128.39,128.22,126.43,126.37,124.34,124.24,124.13,124.00,122.76,122.70,122.49,122.37,122.21,122.13,116.57,116.44,115.82,115.75,114.24,114.17,114.02,113.78,113.70,113.61,88.78,88.67,88.52,88.39,88.01,87.88,86.31,86.14,85.01,84.87,84.68,84.51,84.32,84.27,39.62,39.44。HRMS(ESI):理论值:C23H14Cl2F8N3O3+[M+H]+602.262 2,实测值:602.261 7。

Ⅰc:N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲酰基)-2,4-二氟苯基)-N-甲基-4-(三氟甲基)烟酰胺,白色固体,m.p.163.7～164.2 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.81 (s,1H),9.06～8.97 (m,2H),8.10 (s,1H),8.05～7.89 (m,2H),7.79 (s,1H),7.33 (td,J=8.9,1.5 Hz,1H),6.61 (h,J=6.1 Hz,1H),6.51 (h,J=6.0 Hz,1H).,3.75 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 179.73,179.64,179.61,155.38,155.26,154.33,154.28,154.09,152.34,152.25,152.11,150.73,150.69,150.57,146.12,145.99,145.90,143.36,143.24,143.17,143.01,142.48,142.14,142.08,138.72,138.58,138.45,138.37,128.39,128.26,127.99,127.75,127.24,124.67,124.52,124.21,121.03,120.96,120.88,120.51,117.74,119.26,119.12,118.87,118.54,116.57,116.44,116.40,117.25,117.19,117.00,116.91,116.20,116.16,116.10,114.58,114.54,114.38,113.26,113.21,113.09,112.33,92.51,92.31,92.24,92.18,92.11,88.67,88.59,88.50,88.44,85.57,42.37,42.33,42.27,42.21,19.66,19.59,19.50。HRMS(ESI):理论值:C25H13Cl2F11N2O3+[M+H]+669.272 4,实测值:669.271 9。

Ⅰd:3-(4-(叔丁基)-N-甲基苯甲酰胺基)-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺,白色固体,m.p.172.0～173.1 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.19 (s,1H),8.08 (s,1H),7.94 (d,J=8.1 Hz,2H),7.77 (d,J=11.4 Hz,2H),7.57 (d,J=8.2 Hz,2H),7.29 (t,J=8.7 Hz,1H),6.61 (h,J=6.0 Hz,1H),6.50 (p,J=6.1 Hz,1H),1.33 (s,10H),3.63 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 181.24,181.21,176.54,176.39,176.31,170.76,170.73,168.12,168.07,167.99,165.22,165.17,163.28,163.23,163.17,162.99,158.26,158.21,158.19,158.10,155.53,155.41,152.39,152.31,152.22,152.07,147.37,147.30,147.21,147.11,146.99,143.73,143.67,143.60,143.51,143.39,140.35,140.30,140.25,138.55,139.47,139.40,136.77,136.68,136.60,136.44,132.38,132.31,132.24,129.77,129.69,129.44,115.69,115.58,115.50,115.32,115.25,115.13,110.35,110.24,110.15,110.02,109.97,109.85,109.63,109.57,59.85,42.39,39.73,38.82,38.74,38.55。HRMS(ESI):理论值:C28H22Cl2F8N2O3+[M+H]+657.382 2,实测值:657.382 3。

Ⅰe:3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲酰基)-2,4-二氟苯基)-N-甲基-1H-吡唑-5-甲酰胺,白色固体,m.p.191.1～191.9 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.65 (s,3H),8.56～8.50 (m,4H),8.25～8.18 (m,4H),8.07 (s,4H),7.78 (s,4H),7.70～7.60 (m,8H),7.48 (s,4H),7.26 (t,J=8.7 Hz,4H),6.60 (p,J=5.9 Hz,2H),6.50 (p,J=6.1 Hz,2H),1.24 (d,J=4.1 Hz,1H),3.60 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 187.76,187.69,187.64,186.77,186.70,180.64,180.60,180.54,176.99,176.90,176.85,175.69,175.60,175.52,171.87,171.83,171.77,168.55,168.50,168.23,168.14,168.02,165.78,165.70,165.59,165.50,165.33,165.00,164.91,161.88,161.80,161.71,161.55,158.69,155.26,152.73,152.69,152.58,152.50,148.12,148.00,147.93,147.85,147.69,141.96,141.88,141.80,141.77,141.70,138.44,138.40,138.34,138.01,134.12,134.04,133.99,133.92,126.88,126.85,122.75,122.69,122.65,122.60,102.52,102.44,102.36,102.20,102.14,89.26,89.21,89.11,89.04,40.22,40.19。HRMS(ESI):理论值:C26H13BrCl3F8N5O3+[M+H]+781.663 2,实测值:781.662 7。

Ⅰf:(E) -3-(3-(2-氯-3,3,3-三氟丙-1-烯-1-基)-N,2,2-三甲基环丙烷-1-甲酰胺基)-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺,白色固体,m.p.133.4～134.2 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.27 (d,J=6.0 Hz,1H),8.10 (d,J=5.8 Hz,1H),7.91 (p,J=8.1,7.4 Hz,1H),7.82～7.75 (m,1H),7.23 (p,J=7.9 Hz,2H),6.62 (t,J=7.0 Hz,1H),6.51 (d,J=8.5 Hz,1H),3.70 (s,3H),2.45 (d,J=8.0 Hz,1H),2.24 (q,J=8.2 Hz,1H),1.36～1.21 (m,8H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 197.58,197.50,180.33,175.28,175.23,172.80,168.73,168.68,168.65,163.34,163.30,161.87,159.21,159.15,154.26,154.50,152.22,152.18,147.53,147.47,146.76,140.66,140.33,140.25,135.24,135.20,125.37,125.30,120.47,120.40,117.66,117.61,117.57,115.33,115.27,115.22,115.19,115.05,90.28,90.21,90.14,90.05,89.98,89.91,86.73,86.65,86.59,48.32,48.27,43.69,42.10,38.72,29.33,19.28,19.25。HRMS(ESI):理论值:C27H19Cl3F11NO3+[M+H]+720.785 4,实测值:720.785 0。

1.3 生物活性测试

1.3.1 对小菜蛾室内活性测试

对系列Ⅰ化合物进行杀小菜蛾活性测试,本试验参照 NY/T 1154.14—2008《农药室内生物测定试验准则杀虫剂》第14部分:浸叶法进行。具体方法如下:按照试验设计将药剂配制成为系列浓度的稀释液,以0.1%吐温-80 水为对照;选取新鲜的甘蓝叶,剪成长度3 cm方片,在对应药剂中浸渍10 s后取出,自然晾干。将直径9 cm滤纸平铺于直径9 cm培养皿底部,放入大小一致的小菜蛾3龄幼虫,饥饿处理 2 h 后放入带毒叶片;每处理3次重复,置于(26±1)℃、光照 16 h黑暗中8 h条件下,处理 24,48,72 h 后,以毛笔碰触刺激不能活动者为死亡,记录死虫数,计算各处理死亡率和校正死亡率。数据处理方法采用 Excel 数据处理软件对各处理的死亡率和校正死亡率进行计算和分析。

死亡率=死亡虫数/处理总虫数×100%

(1)

校正死亡率=(处理死亡率-对照死亡率)/(1-对照死亡率)×100%

(2)

1.3.2 杀螨活性测试

对系列Ⅰ化合物进行杀小菜蛾活性测试,测试所选用的对象为二斑叶螨,本试验参照 NY/T 1154.9—2008《农药室内生物测定试验准则杀虫剂》第 9 部分:喷雾法进行。具体方法如下:按照试验设计将药剂配制成为系列浓度的稀释液,以 0.1%吐温-80 水为对照;取长势一致的辣椒苗盆栽,每株辣椒苗上接 30头二斑叶螨成螨,在茎部涂抹凡士林,防治成螨逃逸;置于养虫室培养 24 h 后,检查原始虫数,并放入养虫室培养。每个浓度 3 次重复。置于(26±1)℃、相对湿度 70%～80%、光照 16 h黑暗中8 h条件下正常饲养。药前记录总虫数,药后 24,48,72 h 记录残留二斑叶螨成螨数,计算死亡率和校正死亡率。数据处理方法采用 Excel 数据处理软件对各处理的死亡率和校正死亡率进行计算和分析,计算公式见式(1)～(2)。

2 结果与讨论

2.1 对小菜蛾的室内活性测试结果

化合物Ⅰa～Ⅰf对小菜蛾的杀虫活性见表1。

表1 目标化合物Ⅰa～Ⅰf对小菜蛾的杀灭活性测试数据

对小菜蛾3龄幼虫的测试结果显示,化合物Ⅰa～Ⅰf在200 mg/L质量浓度下对小菜蛾3龄幼虫都有很好的活性,其中Ⅰa～Ⅰc、Ⅰe达到100%。降低施药质量浓度到100 mg/L时,Ⅰa和Ⅰe仍对小菜蛾3龄幼虫有100%的杀虫活性,Ⅰb、Ⅰc也有较好的活性。施药质量浓度降低至50 mg/L时,Ⅰa、Ⅰc、Ⅰe的生物活性分别是93%,54%,72%。通过构效关系分析来看,A部分为苯环时,间二酰胺类杀虫剂具有最好的生物活性;从Ⅰb和Ⅰc来看,用三氟甲基对A部分进行取代的话,其活性也会有所提高。A部分为已知活性基团康宽酸时,化合物也具有很好的活性。

2.2 室内杀螨活性测试结果

化合物Ⅰa～Ⅰf对小菜蛾的杀虫活性见表2。

表2 目标化合物Ⅰa～Ⅰf的杀螨活性测试数据

对二斑叶螨成螨的室内活性测试结果显示,化合物Ⅰa～Ⅰf在200 mg/L质量浓度下对二斑叶螨成螨都有不错的活性,其中Ⅰa、Ⅰd的活性达到100%,Ⅰc、Ⅰe的活性在70%以上;施药浓度降低到50 mg/L时,Ⅰa、Ⅰd的活性分别为92%,87%,高于商品化产品炔螨特。通过构效关系分析来看,A部分为苯环时,间二酰胺类杀虫剂具有最好的生物活性,在A部分对位进行叔丁基取代时,杀螨活性基本不变,而杀虫活性会降低。

3 结论

本文以溴虫氟苯双酰胺为先导化合物,通过活性亚结构拼接法设计合成6个新型间二酰胺类化合物,并且优化了反应路径和反应条件,经过1H NMR、13C NMR和HRMS等表征手段对合成的新化合物Ⅰa～Ⅰf的结构进行了确认。通过初步的室内杀虫、杀螨活性测试,对目标化合物进行了生物活性研究。对小菜蛾3龄幼虫的测试结果显示,化合物Ⅰa～Ⅰf对小菜蛾3龄幼虫都有很好的活性,其中Ⅰa和Ⅰe的活性最好,在100 mg/L时,对小菜蛾的活性都能达到100%,在50 mg/L时,Ⅰa和Ⅰe对小菜蛾的活性分别是93%,72%。对二斑叶螨成螨的室内活性测试结果显示,化合物Ⅰa～Ⅰf对二斑叶螨也有一定的活性,虽然大多数活性不高,但是在50 mg/L时,Ⅰa、Ⅰd的活性分别达到92%,87%,高于商品化产品炔螨特。